Summary

 While stressful life events are an important cause of psychopathology, most individuals exposed to adversity maintain normal psychological functioning. The molecular mechanisms underlying such resilience are poorly understood. Here, we demonstrate that an inbred population of mice subjected to social defeat can be separated into susceptible and unsusceptible subpopulations that differ along several behavioral and physiological domains. By a combination of molecular and electrophysiological techniques, we identify signature adaptations within the mesolimbic dopamine circuit that are uniquely associated with vulnerability or insusceptibility. We show that molecular recapitulations of three prototypical adaptations associated with the unsusceptible phenotype are each sufficient to promote resistant behavior. Our results validate a multidisciplinary approach to examine the neurobiological mechanisms of variations in stress resistance, and illustrate the importance of plasticity within the brain's reward circuits in actively maintaining an emotional homeostasis.

Ventral tegmental area (VTA) dopamine neurons in the brain's reward circuit have a crucial role in mediating stress responses, including determining susceptibility versus resilience to social-stress-induced behavioural abnormalities. VTA dopamine neurons show two in vivo patterns of firing: low frequency tonic firing and high frequency phasic firing. Phasic firing of the neurons, which is well known to encode reward signals, is upregulated by repeated social-defeat stress, a highly validated mouse model of depression. Surprisingly, this pathophysiological effect is seen in susceptible mice only, with no apparent change in firing rate in resilient individuals. However, direct evidence--in real time--linking dopamine neuron phasic firing in promoting the susceptible (depression-like) phenotype is lacking. Here we took advantage of the temporal precision and cell-type and projection-pathway specificity of optogenetics to show that enhanced phasic firing of these neurons mediates susceptibility to social-defeat stress in freely behaving mice. We show that optogenetic induction of phasic, but not tonic, firing in VTA dopamine neurons of mice undergoing a subthreshold social-defeat paradigm rapidly induced a susceptible phenotype as measured by social avoidance and decreased sucrose preference. Optogenetic phasic stimulation of these neurons also quickly induced a susceptible phenotype in previously resilient mice that had been subjected to repeated social-defeat stress. Furthermore, we show differences in projection-pathway specificity in promoting stress susceptibility: phasic activation of VTA neurons projecting to the nucleus accumbens (NAc), but not to the medial prefrontal cortex (mPFC), induced susceptibility to social-defeat stress. Conversely, optogenetic inhibition of the VTA-NAc projection induced resilience, whereas inhibition of the VTA-mPFC projection promoted susceptibility. Overall, these studies reveal novel firing-pattern- and neural-circuit-specific mechanisms of depression.

BDNF, Dopamine, and Cocaine Reward The nucleus accumbens plays a crucial role in mediating the rewarding effects of drugs of abuse. Different subpopulations of nucleus accumbens projection neurons exhibit balanced but antagonistic influences on their downstream outputs and behaviors. However, their roles in regulating reward behaviors remains unclear. Lobo et al. (p. 385 ) evaluated the roles of the two subtypes of nucleus accumbens projection neurons, those expressing dopamine D1 versus D2 receptors, in cocaine reward. Deleting TrkB, the receptor for brain-derived neurotrophic factor, selectively in each cell type, and selectively controlling the firing of each cell type using optogenetic techniques allowed for confirmation that D1- and D2-containing neurons produced opposite effects on cocaine reward.

Resilient Hyperpolarization Despite constant exposure to all sorts of stressors, most people are resilient and do not develop depression, but we do not understand the neurophysiological underpinnings of stress resilience. Friedman et al. (p. 313 ) studied this phenomenon in a mouse model of social-defeat stress depression. In the mice they found that, despite apparently pathological levels of hyperpolarization and elevated potassium channel currents in the ventral tegmental area (a structure known to be involved in depression), resilient mice showed normal activity in dopaminergic neurons. Thus, if “depressed” mice were experimentally provoked into hyperpolarization—unexpectedly, they completely reversed depression-related behaviors.

Abstract Enhanced glutamatergic transmission in the nucleus accumbens (NAc), a region critical for reward and motivation, has been implicated in the pathophysiology of depression; however, the afferent source of this increased glutamate tone is not known. The NAc receives glutamatergic inputs from the medial prefrontal cortex (mPFC), ventral hippocampus (vHIP) and basolateral amygdala (AMY). Here, we demonstrate that glutamatergic vHIP afferents to NAc regulate susceptibility to chronic social defeat stress (CSDS). We observe reduced activity in vHIP in mice resilient to CSDS. Furthermore, attenuation of vHIP-NAc transmission by optogenetic induction of long-term depression is pro-resilient, whereas acute enhancement of this input is pro-susceptible. This effect is specific to vHIP afferents to the NAc, as optogenetic stimulation of either mPFC or AMY afferents to the NAc is pro-resilient. These data indicate that vHIP afferents to NAc uniquely regulate susceptibility to CSDS, highlighting an important, novel circuit-specific mechanism in depression.

We previously reported that the activity of mesolimbic dopamine neurons of the ventral tegmental area (VTA) is a key determinant of behavioral susceptibility vs resilience to chronic social defeat stress. However, this was based solely on ex vivo measurements, and the in vivo firing properties of VTA dopamine neurons in susceptible and resilient mice, as well as the effects of antidepressant treatments, remain completely unknown. Here, we show that chronic (10 d) social defeat stress significantly increased the in vivo spontaneous firing rates and bursting events in susceptible mice but not in the resilient subgroup. Both the firing rates and bursting events were significantly negatively correlated with social avoidance behavior, a key behavioral abnormality induced by chronic social defeat stress. Moreover, the increased firing rates, bursting events, and avoidance behavior in susceptible mice were completely reversed by chronic (2 week), but not acute (single dose), treatments with the antidepressant medication fluoxetine (20 mg/kg). Chronic social defeat stress increased hyperpolarization-activated cation current (I h ) in VTA dopamine neurons, an effect that was also normalized by chronic treatment with fluoxetine. As well, local infusion of I h inhibitors ZD7288 (0.1 μg) or DK-AH 269 (0.6 μg) into the VTA exerted antidepressant-like behavioral effects. Together, these data suggest that the firing patterns of mesolimbic dopamine neurons in vivo mediate an individual's responses to chronic stress and antidepressant action.

cAMP response element–binding protein (CREB) is a key regulator of the nucleus accumbens shell function in animals' responses to emotional stimuli. The present study demonstrates that passive stress in the form of social isolation induces anhedonia and depression-like symptoms that are mediated by CREB activity and neuronal excitability. Here, we characterized behavioral abnormalities induced by prolonged social isolation in adult rodents. Social isolation induced both anxiety- and anhedonia-like symptoms and decreased cAMP response element–binding protein (CREB) activity in the nucleus accumbens shell (NAcSh). All of these abnormalities were reversed by chronic, but not acute, antidepressant treatment. However, although the anxiety phenotype and its reversal by antidepressant treatment were CREB-dependent, the anhedonia-like symptoms were not mediated by CREB in NAcSh. We found that decreased CREB activity in NAcSh correlated with increased expression of certain K+ channels and reduced electrical excitability of NAcSh neurons, which was sufficient to induce anxiety-like behaviors and was reversed by chronic antidepressant treatment. Together, our results describe a model that distinguishes anxiety- and depression-like behavioral phenotypes, establish a selective role of decreased CREB activity in NAcSh in anxiety-like behavior, and provide a mechanism by which antidepressant treatment alleviates anxiety symptoms after social isolation.

Although both males and females become addicted to cocaine, females transition to addiction faster and experience greater difficulties remaining abstinent. We demonstrate an oestrous cycle-dependent mechanism controlling increased cocaine reward in females. During oestrus, ventral tegmental area (VTA) dopamine neuron activity is enhanced and drives post translational modifications at the dopamine transporter (DAT) to increase the ability of cocaine to inhibit its function, an effect mediated by estradiol. Female mice conditioned to associate cocaine with contextual cues during oestrus have enhanced mesolimbic responses to these cues in the absence of drug. Using chemogenetic approaches, we increase VTA activity to mechanistically link oestrous cycle-dependent enhancement of VTA firing to enhanced cocaine affinity at DAT and subsequent reward processing. These data have implications for sexual dimorphism in addiction vulnerability and define a mechanism by which cellular activity results in protein alterations that contribute to dysfunctional learning and reward processing.

The authors show that chronic treatment with antipsychotic drugs decreases expression of mGlu2 and histone acetylation at its promoter in frontal cortex. This is mediated through 5-HT2A receptor–dependent upregulation of HDAC2. HDAC inhibitors prevent this decrease in mGluR2, augmenting the behavioral effects of antipsychotics. Histone deacetylases (HDACs) compact chromatin structure and repress gene transcription. In schizophrenia, clinical studies demonstrate that HDAC inhibitors are efficacious when given in combination with atypical antipsychotics. However, the molecular mechanism that integrates a better response to antipsychotics with changes in chromatin structure remains unknown. Here we found that chronic atypical antipsychotics downregulated the transcription of metabotropic glutamate 2 receptor (mGlu2, also known as Grm2), an effect that was associated with decreased histone acetylation at its promoter in mouse and human frontal cortex. This epigenetic change occurred in concert with a serotonin 5-HT2A receptor–dependent upregulation and increased binding of HDAC2 to the mGlu2 promoter. Virally mediated overexpression of HDAC2 in frontal cortex decreased mGlu2 transcription and its electrophysiological properties, thereby increasing psychosis-like behavior. Conversely, HDAC inhibitors prevented the repressive histone modifications induced at the mGlu2 promoter by atypical antipsychotics, and augmented their therapeutic-like effects. These observations support the view of HDAC2 as a promising new target for schizophrenia treatment.

Abstract Cumulative stress is a major risk factor for developing major depressive disorder (MDD), yet not everyone experiencing chronic stress develops MDD. In those who do not, it is unclear at what point, or by what mechanism, a trajectory of stable resiliency emerges. Utilizing a 10-day repeated social defeat stress model (RSDS) for MDD, we observed that a critical period between 7 and 10 daily defeats marks the phenotypical divergence of resilient from susceptible mice. In response to ongoing stress, corticotropin-releasing factor (CRF) neurons of the oval nucleus of the bed nucleus of the stria terminalis (BNSTov) display a sustained increased firing rate in resilient, but not susceptible mice. This neurophysiological adaptation was self-sustaining, but only after 7 critical stress exposures, indicating that the process of developing resilience is dependent on stress history. Our study reveals a novel process by which individuals might persist in the face of adversity by way of stress-provoked activation, not inhibition of a key CRF limbic region that establishes a pathway to resilience.